I’ve got the power!
Esplorando soluzioni per amplificatori per AO-100
Libera traduzione ed adattamento dell’articolo pubblicato su Oscar-News n°239
Il successo del lancio e della messa in servizio del satellite denominato AO-100/QO-100 è stata un vera svolta nella storia dei satelliti amatoriali. Sebbene previsti fin dall'inizio della storia degli Oscar e classificati come "fase 4", abbiamo dovuto aspettare più di cinque decenni per avere il primo satellite amatoriale geostazionario disponibile. Ma perché viene definita "fase 4"? Facciamo un salto indietro all'origine, quando il continuo sviluppo tecnologico portò la storia dei satelliti radioamatoriali a dividersi in "fasi", ognuna delle quali caratterizzata da chiari obiettivi e caratteristiche tecniche o strutturali.
Nella tabella seguente sono riportate le caratteristiche distintive di ciascuna “fase”.
Fase | Caratteristiche distintive |
1 | Satelliti alimentati solo da batterie, con vita breve dedicati agli esperimenti tecnologici |
2 | Satelliti di lunga durata e capaci di fornire servizi di telecomunicazioni (transponder). Orbita LEO, alimentati con pannelli solari |
3 | Satelliti di lunga durata con complessi sistemi di comunicazione, controllo e telemetria. Per lo più orbite HEO e Molniya |
4 | Satelliti in orbita geostazionaria. Il QO-100 è il primo in assoluto ad essere stato effettivamente costruito e lanciato |
5 | Satelliti o anche sonde spaziali capaci di missioni interplanetarie o lunari. Progettati e parzialmente costruiti ma mai lanciati |
Fin dalla sua messa in servizio, il QO-100 ha dimostrato di essere più sensibile del previsto. Personalmente sono riuscito ad eseguire alcuni QSO con soli 400 mW e un'antenna a tromba da 10 dB e credo che questo sia probabilmente uno dei modi più QRP per usare il bird. Però per un traffico più affidabile e confortevole è necessario disporre di una ERP (effective Radiated Power) maggiore. In tal senso, come regola generale, è sempre preferibile iniziare a investire su antenne di qualità e di generose dimensioni, ma non sempre lo spazio, i costi e altri vincoli ci permettono di raggiungere l'ERP desiderata in quel modo. Quindi l'unica possibilità viene da una maggiore potenza del trasmettitore.
Il mercato è ora ricco di offerte di moduli amplificatori compatti e (spesso) economici, destinati principalmente ad applicazioni WiFi, telefonia mobile, WiMax, ISM e Bluetooth. Ma come si comportano? Quali i pro e i contro? Vediamo la mia esperienza con alcuni dei più popolari.
Una nota importante prima di andare avanti: non ho un laboratorio per radiofrequenza certificato ISO 17025 a casa, ma un "normale" laboratorio di radioamatori. Quindi, tutte le cifre che troverete nelle pagine seguenti sono state misurate con il massimo sforzo per ridurre al minimo gli errori, ma ovviamente non possono vantare la precisione di un laboratorio ufficiale.
SBB5089Z + SZA2044 
Figura 1: amplificatore a doppio stadio impiegante i dispositivi: SBB5089 + SZA2044 NOME FILE:SZM2044.JPG
Figura 1: amplificatore a doppio stadio impiegante i dispositivi: SBB5089 + SZA2044 NOME FILE:SZM2044.JPG
Questo è un modulo molto compatto, pubblicizzato per un'uscita massima di 1W. L'alimentazione può variare da 6 a 30Vdc e questo lo rende molto conveniente anche per il funzionamento portatile. La corrente a vuoto dell'intero dispositivo è di circa 210mA @ 12Vdc; si noti come la corrente assorbita dall'alimentatore diminuisca in modo circa inversamente proporzionale all'aumento della tensione a causa dell'alimentatore switching interno che cerca di mantenere costante la potenza in ingresso su tutto il range di tensione in ingresso.
Il circuito utilizza un paio di dispositivi molto popolari. Quello in ingresso è l'SBB5089Z, un blocco di guadagno ad alta linearità per applicazioni come Driver Amplifier, Telefonia mobile, PCS, GSM, UMTS, strumentazione a banda larga, dati wireless, terminali satellitari. È adattato internamente a 50 Ω sia sull’in ingresso sia sull’uscita e questo su un intervallo molto ampio di frequenze.
Seguendo la catena di amplificazione troviamo l'SZA-2044, un prodotto moderno specificamente progettato come stadio finale per apparecchiature 802.11b/ge 802.16 operanti nelle bande da 2,0 GHz a 2,7 GHz.
Il modulo mostra un guadagno complessivamente molto elevato, nell'ordine dei 39-40dB, con una larghezza di banda a -3dB che va da circa 400MHz fino a 2,7GHz. Questo è un aspetto a cui prestare attenzione per la nostra applicazione: per prevenire emissioni spurie (fosse anche solo un residuo di oscillatore locale) è obbligatorio alimentarlo con un segnale molto pulito e forse anche filtrarne l'uscita.
Di seguito la risp
osta che ho misurato a banco:
Così come arrivatomi dal fornitore, il mio esemplare non è stato in grado di fornire più di 550 mW a 2400 MHz alla saturazione dell’ingresso (-5dBm). A frequenze più basse, diciamo 2350MHz e più sotto, ho potuto misurare,potenze fino a 29-30dBm senza problemi, questo con -10dBm in ingresso. Se si vuole aumentare di un mezzo dBm l’uscita massima si può semplicemente rimuovere i componenti contrassegnati con R7 e C17. Navigando in rete, è possibile rinvenire da vari fornitori anche una versione con una coppia di SZA2044 come dispositivi d’uscita che stimo capace di erogare circa 1-1,5W. Consiglio finale: se utilizzato ad "alta potenza", il contenitore del dispositivo finale potrebbe diventare piuttosto caldo, quindi attenzione alle dita!
SZM2166
Figura 3: amplificatore basato sul dispositivo SZM2166 NOME FILE: IMGP6340.JPG
Figura 3: amplificatore basato sul dispositivo SZM2166 NOME FILE: IMGP6340.JPG
Se il modulo da 1W non vi basta, un'altra scelta molto popolare è quella basata sul dispositivo SZM-2166, dichiarato per 2W. Per i miei test ne ho acquistati due da diversi fornitori ma sono sempre stato sfortunato. Il primo è arrivato con diversi pin in cortocircuito a causa di un processo di saldatura scadente e nessun collaudo del prodotto finito prima della spedizione. Il secondo è “morto” dopo pochi secondi sul mio banco di prova a causa di una formidabile auto-oscillazione che è rientrata nell'alimentatore switching a bordo scheda. Sicuramente ci sono problemi di qualità nella produzione di questi moduli economici provenienti dall'estremo oriente, quindi preparatevi per ogni evenienza. Ultimo ma non meno importante, prestare attenzione al fatto che in questo amplificatore l'ingresso è accoppiato in corrente continua, quindi inserire un DCblock potrebbe essere una scelta saggia.
MW7IC2725N
Se 1 o 2 W di potenza ancora non bastano, probabilmente occorre spostarsi su un dispositivo diverso. Per fortuna oggi i cataloghi dei principali produttori di silicio sono ricchi di soluzioni per la nostra applicazione. A mio modesto parere, uno dei più intriganti è l'MW7IC2725N prodotto dalla NXP e dalla Freescale, un circuito integrato a banda larga per modulazioni digitali (i.e. QAM, etc.) da 4W, progettato con una rete di “matching on-chip” che lo rende facilmente utilizzabile da 2300 fino a 2700 MHz, quindi perfetto per noi. Le caratteristiche che lo rendono una buona scelta per il nostro scopo sono anche il suo alto guadagno (è un due stadi con 26÷28dB di guadagno totale), il costo piuttosto basso, la capacità di gestire molto bene i segnali digitali (bassa distorsione d’intermodulazione) e la facilità d'uso. L'unico vero svantaggio che potrebbe preoccuparci è la necessità di 28V per la sua alimentazione, aspetto che potrebbe comportare qualche complicazione (facilmente superabili oggi) nelle operazioni in portatile con sola alimentazione a batteria 12V. Il chip è facilmente disponibile da diverse fonti così come è possibile trovare alcune schede pronte per l'uso. Per mia comodità ho acquistato e testato quello presentato e prodotto da SK9MTS. La scheda è molto compatta e fornisce una potenza massima di circa 25-30 W con un guadagno associato di circa 26 dB. Un altro punto positivo: a piena potenza (30W in uscita) richiede solo di 2,8A @ 28V dall’alimentazione, quindi una potenza in ingresso di 78W che a sua volta significa circa il 38% dell'efficienza energetica complessiva: carino no?
Se si prevede di utilizzarlo ad alta potenza occorre assicurare un raffreddamento adeguato, in grado di dissipare circa 50W con un ridotto salto termico. Studiando un po' la scheda tecnica credo che una scelta conveniente potrebbe essere l'utilizzo di un dissipatore di calore con resistenza termica non superiore a 1°C/W in modo da mantenere le giunzioni entro i 150°C.
Soluzioni dal surplus
Se le soluzioni da 1-30W sopra descritte si basano su dispositivi di produzione attuale, non dobbiamo dimenticare che c'è spazio e opportunità per qualche amplificatore di più alta potenza (QRO) basato su schede ex-BTS (Base Terminal Station). Quindi, perché non dare un'occhiata ad alcuni prodotti surplus e provare a convertirli al nostro scopo? Ecco la mia esperienza con un paio di moduli recuperati ai vari mercatini per pochi Euro ciascuno.
Surplus board n°1
Figura 5: amplificatore surplus con MRF21010, MRF21045 e una coppia di SRF7068 NOME FILE: board1a.JPG
Figura 5: amplificatore surplus con MRF21010, MRF21045 e una coppia di SRF7068 NOME FILE: board1a.JPG
Questa scheda è composta da una serie di tre dispositivi: MRF21010, MRF21045 e una coppia di SFR7068, adatti per applicazioni FM, TDMA, CDMA e modulazioni multiportante.
Questi componenti sono progettati per funzionare in Classe AB in applicazioni PCN - PCS/radio cellulare e WLL. Alla sua frequenza di progetto originale (2,1-2,3 GHz) questo gruppo è in grado di fornire più di 150 W con un guadagn
o, costante nell'intervallo, di 30 dB.
Alla nostra frequenza di 2.4GHz i dispositivi (quelli attivi e anche gli accoppiatori ibridi) non sono specificati e probabilmente le reti di adattamento e accoppiamento andrebbero riviste. Ad ogni modo, senza impazzire e con piccole modifiche e alcune regolazioni si possono spremere circa 50W a 28V e circa 30W a 24Vcc. Il guadagno totale è compreso tra 20 e 23 dB. Un'altra possibilità di sperimentare è rimuovere i dispositivi dalla scheda e rifare l’amplificatore su un nuovo PCB dedicato: posso immaginare che 70-100 W potrebbero essere ottenibili per l’uso con AO-100, ma questa opzione è al di là delle mie capacità e necessità attuali.
Surplus board n°2
Figura 8: vista totale del secondo amplificatore surplus analizzato NOME FILE: board2a.JPG
Figura 8: vista totale del secondo amplificatore surplus analizzato NOME FILE: board2a.JPG
La seconda scheda che ho provato è piuttosto complessa perché è composta da un numero elevato di sotto-moduli. All'estremità destra (vedi foto) c'è una scheda di basso livello, con filtri, mixer, ecc. La parte più interessante è quella che comprende l'amplificatore di media
potenza basato sui dispositivi MRF2130 e MRF2190 posizionato circa al centro-destra nella fotografia. Sulla sinistra invece trova luogo l’ultimo stadio di amplificazione, impiegante dispositivi di elevata potenza, ma di solito, nel materiale “di recupero” sono entrambi rotti (almeno li ho trovati come tali in tutti quelli che ho controllato). Se riuscite a rinvenire una scheda con la coppia sana, quello potrebbe essere il vostro giorno fortunato!
Entrambi i dispositivi sono destinati ad applicazioni per stazioni base W-CDMA su frequenze da 2110 a 2170 MHz e sono adatti per applicazioni FM, TDMA, CDMA e amplificatori multi-portante. Dai miei test, con alcune regolazioni minori è possibile ottenere circa 30 W max @ 28 V e 2400 MHz. Come sopra, il nostro utilizzo è molto al di fuori delle specifiche dei dispositivi. Probabilmente queste due schede potrebbero essere più interessanti per gli EMErs a 13cm (2304-2320MHz), specialmente la seconda se ha la coppia finale funzionante, fa intravedere la possibilità di ottenere 2-300W in uscita.
Nient’altro??
Le soluzioni sopra presentate sono solo una parte di quelle disponibili: di sicuro ve ne sono molte altre che non ho indagato in questo articolo. Se vi piacciono gli amplificatori "old fashion", si potrebbe ad esempio pensare di riutilizzare un vecchio (e magari in disuso da tanti anni) amplificatore di potenza basato sullo storico triodo planare 3CX100/2C39 per la banda dei 13 cm. Con un singolo tubo, si possono ottenere da 20 a 50 W senza sforzi particolari. Se invece preferite i dispositivi moderni, potreste prendere in considerazione la possibilità di dare un'occhiata o anche solo di provare i seguenti: NE5520279A (1,5W, 3,3 o 5V), MMZ25333B (2W, 35dB, 5V), MGFS45Hxxxx (moduli ibridi, dozzina di watt), MHT1008NT1 (50W, 28V), schede surplus basate sui BLF8G22LS-160BV o BLC8G22LS-450AV (50-100W previsti) e tanto altro che sicuramente ho dimenticato di menzionare.
Dispositivi accessori opzionali ma utili
Limiter
Figura 10: esempio di un “limiter” per uso in laboratorio misure, completo di connettori tipo N NOME FILE: Limiter.jpg
Figura 10: esempio di un “limiter” per uso in laboratorio misure, completo di connettori tipo N NOME FILE: Limiter.jpg
L'uso di questo componente nella nostra catena di up-link serve a prevenire o perlomeno a proteggere dal sovraccarico lo stadio di ingresso (di un amplificatore di potenza, di un mixer e così via) da segnali ad alta potenza indesiderati.
La funzione del Limiter è di proteggere dai segnali di alto livello mantenendo una perdita molto bassa quando non è richiesto il suo intervento, richiede l'impiego di un dispositivo non lineare. Un diodo shunt è l'ideale perché è virtualmente trasparente quando polarizzato "off" e altamente riflettente quando polarizzato "on". I diodi PIN sono comunemente usati perché possono gestire anche segnali ad alta potenza e fornire perdite ragionevoli. In presenza di piccoli segnali, il diodo shunt non conduce e quindi rappresenta un'elevata impedenza, ovvero una condizione di bassa perdita sul percorso passante. In presenza di segnali ad alta potenza, il livello RF porta il diodo nello stato di conduzione, portando l'impedenza a scendere ben al di sotto di 50Ω e l'intero circuito diventa riflettente, impedendo che la maggior parte dell'energia raggiunga il componente successivo.
Si noti che mentre agisce, tagliando e limitando il segnale di ingresso, la sua uscita contiene molte armoniche del segnale di ingresso applicato, quindi potrebbe essere consigliabile ove non addirittura necessario un filtraggio adeguato sulla sua uscita.
I limitatori sono specificati da una serie di parametri chiave:
• Intervallo di frequenza operativa: definisce l'intervallo entro il quale il limitatore riesce a proteggere i componenti successivi. Il limite inferiore è solitamente fissato dal tempo di recupero (tr) del diodo, mentre il limite superiore dai parametri parassiti (induttanza e capacità) dei componenti.
• Perdita di inserzione: definisce la piccola perdita di passaggio del segnale (S21) del limitatore. La perdita di inserzione è definita su un campo dinamico fino al campo limite di limitazione dell’ingresso.
• Leakage: quando viene applicata un'elevata potenza in ingresso a un limitatore, solo una piccola parte della potenza può passare attraverso il limitatore e raggiungere l’uscita. Questa frazione è chiamata leakage ed è tipicamente specificata come livello assoluto (dBm o Watt).
• Potenza in ingresso: definisce il campo di limitazione. È specificato a entrambi i livelli Min e Max. In questo intervallo, il Limiter seguirà una caratterizzazione Δuscita/Δingresso specificata. Per i segnali di ingresso al di sopra della potenza di ingresso massima, l'uscita riprenderà ad aumentare con una pendenza maggiore. Fare attenzione a non confondere questo parametro con il Max Rating che è più alto e definisce la potenza massima che l'unità può gestire senza subire danni.
• Limiting: è il rapporto tra la differenza di potenza in uscita e la differenza di potenza in ingresso definito nell'intervallo di potenza in ingresso. (Δuscita /Δingresso)
• Tempo di recupero: è il tempo impiegato dal dispositivo limitatore per recuperare da un clipping del segnale ad alta potenza. Questa è una condizione pulsata ed è definita come il tempo tra il punto al 50% di uscita dell'impulso ad alta potenza e il momento in cui l'uscita raggiunge il 90% del livello di segnale limitato.
Circolator
Figura 11: esempio di un circolatore a tre porte con connettori tipo N NOME FILE: rf-circulator.jpg
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Figura 11: esempio di un circolatore a tre porte con connettori tipo N NOME FILE: rf-circulator.jpg
Questo componente è uno dei meno conosciuti e apprezzati dai radioamatori, ma la sua utilità è fuori discussione. Un circolatore potrebbe essere visto come una sorta di "rotatoria" a radiofrequenza in cui è possibile lasciare la strada solo all'uscita successiva. In parole più tecniche, si tratta di un dispositivo passivo, non reciproco, a tre o quattro porte, che consente a un segnale a radiofrequenza di uscire solo attraverso la porta immediatamente successiva a quella in cui è entrato. Ad esempio in un circolatore (ideale) a tre porte, un segnale applicato alla porta 1 esce solo dalla porta 2; un segnale applicato alla porta 2 esce solo dalla porta 3, un segnale applicato alla porta 3 esce solo dalla porta 1 e così via. Detto questo, come può aiutarci nella nostra applicazione? Beh, quando un circolatore a tre porte è terminato con un carico
fittizio, può essere utilizzato come isolatore. Un uso molto apprezzabile è quello di evitare che lo stadio finale venga danneggiato nel caso il carico (ad esempio l’antenna) sia fortemente disadattato. Per questa applicazione è necessario collegare l’uscita dello stadio di potenza alla porta 1, l'antenna alla porta 2 e un carico fittizio adatto alla porta 3. In condizioni normali, la potenza fluirà senza problemi dalla porta 1 alla 2 (antenna), mentre dalla porta 3 non uscirà (quasi) nulla. In caso di grave disadattamento sull'uscita 2 (ad esempio, guasto del connettore o del coassiale, antenna danneggiata, formazione di ghiaccio sulla parabola e così via), la potenza riflessa, invece di rientrare e incidere sullo stadio di uscita, sarà dirottata a dissipare la propria energia sul carico collegato alla porta 3. E tutto questo senza alcun ritardo! Nella scelta di questo tipo di dispositivo, tre sono i parametri più importanti da tenere in considerazione:
- gamma di frequenza: deve ovviamente includere la nostra frequenza di lavoro
- potenza massima gestibile: deve essere sufficientemente elevata
- isolamento e perdita: per i nostri scopi il fattore più importante è avere un dispositivo a bassa perdita per non sprecare il segnale in uscita
DC-block
Come il suo nome può suggerire, questo dispositivo ha lo scopo di bloccare la corrente continua che scorre sulla linea. Fondamentalmente è composto da un condensatore in serie inscatolato in un apposito contenitore con una coppia di connettori appropriati. Di solito gli amplificatori a radiofrequenza non sono accoppiati in corrente continua, ma a volte lo sono! Pertanto, per evitare che la corrente continua fuoriesca o entri in un altro modulo, inserire un DC block Inter-stadio può essere la giusta soluzione per prevenire problemi.
Conclusioni
L’argomento trattato è molto vasto ed interessante e sono certo che molti di voi potrebbero proporre almeno un'altra soluzione o un altro dispositivo da provare ed utilizzare. Tuttavia, spero che queste pagine possano essere di aiuto alla maggior parte degli appassionati utilizzatori del QO-100 e stimolare il traffico di radioamatore via satellite!
Bibliografia
www.richardsonrfpd.com/docs/rfpd/PIN_Limiter_Design_Guide.pdf